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- 우주는 빅뱅 이후 계속해서 팽창해 왔고, 그 팽창 속도는 더욱 빨라지고 있다.
- 우주표준모델에 따르면 이 암흑에너지는 시간과 공간에서 일정한 밀도를 가져야 한다.
- 천문학자들은 우주 팽창을 측정할 때 분명한 불일치를 반복적으로 발견
- 2019년에 퀘이사를 측정할 때 유사한 불일치를 발견
- 우리의 그림이 불완전할 수 있다는 결론

암흑에너지: 변화하고 있나요?
초신성 측정은 우주 모델과 약간의 불일치를 보여준다

흥미로운 편차:
암흑에너지는 표준 우주 모델이 예측하는 것보다 덜 일정할 수 있다. 이는 현재까지 초신성을 이용한 우주 팽창에 대한 가장 포괄적인 측정인 암흑에너지 조사(DES)의 결과에 의해 제시됐다. 따라서 암흑에너지의 밀도 값은 표준모형의 값에 가깝지만 완벽하게 일정하지는 않다. 이는 천체물리학자들이 보고한 것처럼 암흑에너지의 효과와 밀도가 시간이 지남에 따라 변한다는 것을 나타낼 수 있다. 

▲ 천문학자들은 초신성의 거리와 적색편이를 측정함으로써 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 판단할 수 있으며 이를 통해 암흑에너지에 대한 결론을 도출할 수 있다. © DES Collaboration

우주는 빅뱅 이후 계속해서 팽창해 왔고, 그 팽창 속도는 더욱 빨라지고 있다. 이를 추진하는 힘은 중력의 인력 효과에 대응하기 위한 암흑에너지다. 우주표준모델(ΛCDM)에 따르면 이 암흑에너지는 시간과 공간에서 일정한 밀도를 가져야 한다. 그러므로 그들의 영향은 우주상수와 동일하다. 유일한 문제는 암흑에너지를 직접적으로 측정할 수 없고, 그 존재가 명확하게 입증되지도 않는다는 점이다.

팽창의 “측정 막대”로서의 초신성

빅뱅 이후 암흑에너지가 실제로 일정하게 유지되었는지도 불분명하다. 천문학자들은 우주 팽창을 측정할 때 분명한 불일치를 반복적으로 발견했다. 변광성 별, 퀘이사, 초신성 및 기타 "오늘날" 물체의 도움으로 결정된 팽창은 우주 배경 복사의 모델 및 측정에 따른 것보다 더 높다.

▲ 초신성 측정에 따르면 오늘날 우주는 예전보다 더 빠르게 팽창하고 있다. 그러나 우주 팽창의 속도가 정확히 어느 정도인지는 불분명하다. © DES Collaboration

암흑 물질, 암흑에너지 및 우주 팽창을 측정하기 위한 가장 광범위한 프로젝트 중 하나인 암흑에너지 조사(DES)의 결과는 이제 이 문제에 대해 더 많은 정보를 제공할 수 있다. 6년 동안 천문학자들은 칠레 망원경의 특수 카메라를 사용하여 하늘 전체의 8분의 1을 조사하고 거의 1,500개에 달하는 1a형 초신성의 거리와 적색편이를 지도화했다. 표준화된 광도로 인해 이러한 백색 왜성 폭발은 우주 팽창에 특히 적합한 "측정 막대"로 간주된다.

표준모형과의 편차

이제 DES의 천문학자들은 최종 결과를 발표했다. 따라서 초신성의 움직임은 표준 모델과 크게 일치한다. 팀은 시간에 따른 암흑에너지 밀도에 대해 w = -0.80 ± -0.18에 도달했다. 그러나 이 값은 우주 진화 과정에서 암흑에너지의 일정한 밀도를 설명하는 우주 표준 모델에서 지정한 w = 1 값보다 약간 낮다.

이는 “암흑에너지의 가장 단순한 모델인 ΛCDM이 완벽하게 맞지 않다는 의미다. 왜냐하면 우리의 결과에 따르면 w는 정확히 1이 아니기 때문이다”고 공동 저자인 호주 퀸즈랜드 대학의 타마라 데이비스(Tamara Davis)는 말했다. 그러나 편차는 일반적인 모델을 명확하게 반박할 만큼 크지 않다. 이는 이론적으로 가정된 값인 1에서 여전히 두 표준편차 범위 내에 값이 있기 때문이다. Davis는 “이것은 표준 모델과 일치할 만큼 충분히 가깝다”고 설명했다.

암흑에너지는 결국 일정하지 않은가?

약간의 편차는 암흑에너지가 예상과 다르게 행동한다는 것을 나타낼 수도 있다. “이 결과는 암흑에너지가 시간이 지남에 따라 변화한다는 표시일 수 있기 때문에 흥미롭다”고 Davis는 설명했다. 사실, 이것이 이에 대한 첫 번째 징후는 아니다. 천문학자들은 이미 2019년에 퀘이사를 측정할 때 유사한 불일치를 발견했으며 우주와 암흑에너지에 대한 우리의 그림이 불완전할 수 있다는 결론에 도달했다.

“현재 일어나고 있는 일에 대해 좀 더 복잡한 설명이 필요할 수도 있다”고 Davis는 말했다. 그러나 이러한 설명이 어떤 모습일지, 암흑에너지의 밀도나 영향이 실제로 변했는지를 보여주기에는 데이터가 아직 충분하지 않다.
(243rd meeting of the American Astronomical Society, Astrophysical Journal (submitted), 2024; doi: 10.48550/arXiv.2401.02929)
출처: DOE/Fermi National Accelerator Laboratory,
국립 광학적외선 천문학 연구소(NOIRLab)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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